철근콘크리트의 내구성(1) - 철근의 부식, 탄산화, 염화물

안녕하세요.

오늘은 철근콘크리트의 내구성에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

내구성(Durability Considerations) 

 철근의 부식은 콘크리트 피복에 박리(spall)가 일어나도록 하여 보기에도 흉할 뿐만 아니라 보수에 큰 비용이 들게 된다. 특히 프리스트레스트 콘크리트 구조물에서 긴장재의 부식은 구조물의 내구성에 상당한 피해를 줄 수 있다.

 콘크리트에 매립된 철근의 부식은 전기화학 과정(electrochemical process)으로 배터리에서 일어나는 반응과 유사하다(그림 참고). 철근의 한 부분이 양극(anode)으로 작용하고 이 부분의 철근에서 철이 산화하여 산화 제1 철(ferrous ions)과 전자(electron)를 방출하면서 부식이 일어나게 된다. 전기화학 전위가 높은 다른 부분의 철근은 음극(cathodes)으로서 역할을 하여 산소와 물 그리고 전자를 소모하여 수산기 이온(hydroxyl ions)을 형성한다. 전기화학 작용을 완성하기 위해서 철근은 전기 전도체(electrical conductor)로 소금이 녹아있는 콘크리트 공극의 물은 전해물(electrolyte)로서 역할을 하게 된다.

포틀랜드 시멘트 콘크리트는 전형적으로 높은 알칼리성을 띠고 있다.

 포틀랜드 시멘트의 수화작용은 상당한 양의 수산화칼슘을 생산하여 pH 12.5 정도로서 보호막을 형성하게 된다. 이 정도의 알칼리성을 가진 콘크리트에 매립된 철근은 전형적으로 거의 반응이 없는 부동상태에 있게 된다. 이런 철근의 부동상태(passivity)는 철근의 표면에 얇은 산화물 막(thin oxide film)이 형성되어 추가적인 부식을 방지하는 현상으로 설명할 수 있다. 이 산화물 막은 보통의 대기환경에서 알루미늄이나 아연 표면에 생겨서 추가적인 부식에 대해 보호하는 막과 유사하다. 이 산화물 막이 손상을 입지 않고 보호되면 철근은 부식을 일으키지 않고 유지될 수 있다.

 콘크리트의 천연적인 알칼리성은 경화된 포틀랜드 시멘트풀과 이산화탄소(carbon dioxide) 사이의 화학반응에 의해서 감소할 수 있다. 이 반응을 탄산화(carbonation)라 부르며 이 반응으로 인하여 콘크리트의 pH가 8 정도로 낮아져서 매립된 철근의 부동성을 파괴하여 부식이 시작되게 한다.

 다행스럽게도 특히 콘크리트의 품질이 양호한 상태에서는 탄산화가 매우 느리게 진행된다. 1976년에는 콘크리트의 설계기준강도 fck = 35 MPa인 콘크리트에서 20년 뒤의 탄산화 깊이는 10mm 이하가 된다고 보고하고 있다. 따라서 일반적으로 균열이 일어나지 않은 콘크리트에서 탄산화가 콘크리트의 피복두께를 침투하지 못할 것이다. 만약에 콘크리트에 균열이 존재하게 되면 이산화탄소가 훨씬 더 깊이 침투하게 되어 탄산화의 깊이가 증가하게 될 것이다.

 만약에 염화물(chlorides)이 있게 되면 비록 높은 pH에서도 철근의 부동성에 손상을 입힐 수 있게 된다. 콘크리트에 아주 낮은 농도의 염화물이라도 액상 상태로 존재하게 되면 매립된 철근의 산화물 막을 파괴한다고 보고하고 있다. 콘크리트의 염화물은 여러 원인으로부터 유입되는데 전형적으로 시멘트 자체에 이미 염화물이 무게로 50ppm~100ppm을 포함하고 있다. 보통 음용수는 250ppm 이하, 수돗물은 보통 50ppm 이하의 염화물을 포함하고 있다. 이에 비해서 해수는 20,000ppm(즉, 2%)의 염화물을 포함하고 있다. 백운석(dolomite)은 1,000ppm의 염화물을 포함하고 있지만, 일반적으로 골재에 함유된 염화물은 10ppm~400ppm 범위에 있다.

 각 재료에 함유된 염화물이 같이 철근의 부식에 영향을 미치지는 않을 것이다. 물속에 포함된 100g의 염화물이 골재 속에 포함된 100g의 염화물에 비해서 더 심각한 영향을 미칠 것이다. 더군다나 콘크리트 속에 함유된 염화물 중에서 오직 1/2이나 1/3 정도만이 물에 녹을 수 있고 이 물에 녹는 염화물이 부식에 영향을 미친다고 생각되고 있다. ACT 222R-01 보고서에 의하면 수용성 염화물이 시멘트 무게에 비해서 0.15%를 초과하면 부식이 시작된다고 보고하고 있다.

 아마도 배합재료에 포함된 염화물의 양보다도 더 중요한 사항은 콘크리트를 사용 중에 침투하는 염화물의 양일 것이다. 바닷가나 해양에 있는 구조물에는 해수가 직접 접하거나 바람에 의한 물보라 등에 의해서 염화물이 침투하게 될 것이다. 또는 제빙 화학제(deicing chemicals)가 살포되는 도로 부근의 주차건물, 교량, 구조물 등에는 상당히 높은 염화물에 노출되게 될 것이다. 염화물이 콘크리트에 침투하는 속도는 여러 요소에 의해서 좌우되지만, 그중에서 가장 중요한 요소는 콘크리트의 품질일 것이다.

 매립된 철근의 부동상태(passivity)가 손상되게 되면 콘크리트가 탄산화에 의하거나 염화물의 침투로 부식이 시작되고 구조물의 수명이 얼마나 남느냐는 얼마나 빠르게 부식이 진행되느냐에 달려있다. 부식이 진행되는 속도는 얼마나 전기화학 작용이 효과적으로 진행되느냐에 달려있다. 대부분은 콘크리트의 전기저항(electrical resistivity)과 음극(cathode)에 얼마만큼 산소가 공급될 수 있느냐에 따라 부식 진행의 속도가 결정되게 된다.

 만약에 콘크리트의 전기저항이 높게 되면 부식을 일으키기에, 충분한 전류가 흐르지 못하게 된다. 콘크리트의 품질이 전기저항에 영향을 미치기는 하지만 콘크리트의 전기저항을 결정하는 가장 중요한 요인은 콘크리트의 함수율이다. 만약에 함수율이 40% 이하가 되어 전기저항이 증가하게 되면 뚜렷한 부식을 일으키지 못하게 될 것이다.

 콘크리트의 투과성(permeability)과 철근에 대한 피복두께가 산소의 양을 결정하는 가장 중요한 요소들이다. 품질이 좋고 균열이 없는 콘크리트의 투과성은 상당히 낮으므로 1982년 콘크리트에 상당한 미세균열이 발생해서 투과성이 충분히 커져서 넓은 부분의 철근에 산소의 접근이 용이해질 때 부식이 비로소 일어날 수 있다고 가정하였다.

1985년 콘크리트 구조물의 내구성에 대해서 콘크리트 피복두께와 염화물의 함량이 미치는 뚜렷한 영향을 보여주었다. 그들은 사우디아라비아 동부 걸프만을 따라 10년에서 15년 된 62개의 철근콘크리트 구조물에 관해 연구하였다.

 이 무더우면서(온도가 올라갈수록 부식의 속도가 증가한다) 습도가 높고 해수로 인해서 염분이 있는 환경에서 그들은 콘크리트의 성능이 상당히 손상된 것을 발견하였다. 부식이 일어난 철근을 둘러싼 콘크리트에서 채취한 표본을 분석하면서 염화물의 함량과 강재의 손상에는 거의 직접적인 관계가 있는 것을 발견하였다. 그러나 비록 콘크리트와 철근 사이에서의 염화물의 함량은 같다고 하더라도 콘크리트 피복두께가 증가하게 되면 부식은 상당히 감소하였다.